Kantelstuwme+ng op basis van beeldherkenning
Meinte Vierstra (Mobile Water management), Pim van Santen (waterschap Aa en Maas), Miriam Duijkers (hoogheemraadschap De SAchtse Rijnlanden), Peter-‐Jules van Overloop (TU DelH/Mobile Water Management).
Een nieuwe manier van meten van kantelstuwstanden, de Mobile Tracker-‐FL, wordt momenteel getest bij het hoogheemraadschap De S+chtse Rijnlanden. Waterschap Aa en Maas, heeF de meetmethode, na een uitgebreide pilot, in gebruik genomen. De methode werkt met een klein, speciaal waterpas, dat op de stuw gemonteerd wordt. Met een smartphone-‐app wordt een foto genomen, waarna beeldherkenningssoFware de hoek van de stuw bepaalt, en daaruit de stuwstand. De gegevens worden opgeslagen in het Water Informa+e Systeem van het waterschap. De me+ngen zijn nauwkeuriger dan handma+g opgenomen waarden.
In Nederland staan vele duizenden stuwen, in het laagland maar vooral ook op de zandgronden in het midden, zuiden en oosten van het land. Veel van deze stuwen zijn van het type kantelstuw. Sommige kantelstuwen zijn geautoma=seerd, maar een groot deel is onbemeten of wordt handma=g gemeten met een lang waterpas en rolmaat. Automa=sering van de me=ng heeA als voordeel dat de waarden ieder moment beschikbaar zijn, maar in veel gevallen is dit niet nodig en daarmee te kostbaar. Zo zijn er veel stuwen die maar een aantal keer per jaar worden versteld, bijvoorbeeld bij de overgang van winterpeil naar zomerpeil en andersom. In dat geval is het vooral van belang om te administreren wat de stuwstand is. Deze informa=e is van belang voor het groeiend aantal Beslissing Ondersteunende Systemen (BOS’sen) bij de waterschappen, die de waterschappen helpen bij het maken van een goede inschaJng van de huidige toestand van het watersysteem. Ook voor modelstudies die gebeurtenissen uit het verleden moeten nabootsen, is de informa=e over de stand van de stuwen belangrijk. Daarnaast geeA de digitale beschikbaarheid van actuele stuwstanden de mogelijkheid om deze direct op kaart te tonen ten behoeve van het opera=onele waterbeheer.
Nauwkeurigheid handma+g meten
Het meten van de stuwstand is echter vaak fysiek niet eenvoudig en kan ook tot onveilige situa=es leiden. Het meten met rolmaat is redelijk nauwkeurig, maar voordat de waarde in de database zit, is er een aantal stappen waarin fouten kunnen worden gemaakt. Uit een studie door waterschap De Dommel [1, 2] blijkt dat het herhaald meten met een rolmaat door meerdere veldmedewerkers leidt tot een standaarddevia=e van 8,4 millimeter. Wanneer er echter naar de standaarddevia=e van de waarde in de database wordt gekeken nadat deze tweemaal handma=g is ingevoerd (eerst op een laptop en later van de laptop naar de database), is de standaarddevia=e 12 millimeter. Hierbij is nog niet meegenomen dat bij het meten van een stuwstand er behalve een rolmaat ook nog een lang waterpas gebruikt wordt, die aan één kant op een ingemeten bout wordt geplaatst om aan de andere kant te dienen als mNAP-‐referen=e boven de stuw. Het gevolg is een nog grotere standaarddevia=e in de me=ng.
MobileTracker-‐FL
Een nieuwe manier om stuwen te meten is met de MobileTracker-‐FL. Deze methode is voortgekomen uit andere patroonherkenningsmethoden die recent zijn ontwikkeld voor het meten van watervariabelen en die de ‘familienaam’ MobileTracker dragen [3]. Het is een klein, speciaal waterpas dat op de kantelstuw wordt beves=gd. Dit waterpas kan gefotografeerd worden met een app op een smartphone. De verdere administra=e tot in FEWS, WISKI of Hydronet gebeurt volledig geautoma=seerd. Uit de foto wordt met speciale beeldherkenningssoAware [4] de hoek α bepaald tussen omsluitend vierkant en waterpas (zie a_eelding 1). Dit is dan tevens de hoek van de stuw. Aangezien de straal R en drempelhoogte dcr bekend zijn, kan de kruinhoogte dg worden berekend met:
A"eelding 1. Schema1sche weergave van kantelstuw met klein waterpas (MobileTracker-‐FL)
De onnauwkeurigheid van de patroonherkenning is ongeveer een halve graad en ligt daarmee bij stuwen met een straal van 1 meter en kleiner, onder de 10 millimeter voor wat betreA de absolute kruinhoogte.
Bij het hoogheemraadschap De S=chtse Rijnlanden wordt de nieuwe meecechniek nog in pilotvorm toegepast. Waterschap Aa en Maas is inmiddels overgegaan tot aanschaf en toepassing in het dagelijkse opera=onele beheer. A_eelding 2 toont stuw Haarsteeg118HD in het beheergebied van waterschap Aa en Maas, die is voorzien van het waterpas. De stuw heeA een straal van 85 cen=meter en een drempelhoogte van 0,92 mNAP.
Meetresultaten
Op 17 juli 2014 zijn van stuw Haarsteeg118HD met de app 11 foto’s gemaakt onder verschillende hoeken, van verschillende afstanden en met verschillende ‘zoomniveaus’ van de smartphonecamera. Uit de resultaten in a_eelding 3 is te zien dat dit weinig invloed heeA op de gemeten (constante) hoek. De gemiddelde waarde van de hoek is 39,3 graden en de standaarddevia=e is 0,3 graden. De stuwstand berekend volgens bovenstaande vergelijking, is
gemiddeld 1,458 mNAP en de standaarddevia=e is 3,4 millimeter. Ook van een andere stuw waarop de MobileTracker-‐FL is gemonteerd zijn die dag me=ngen genomen. Deze stuw (Haarsteeg118CE) heeA een drempelhoogte van 0,03 mNAP en een straal van 0,75 m. Voor de stuw zijn de gemiddelde waarden en de standaarddevia=e van 17 me=ngen voor de stuwhoek en de stuwstand respec=evelijk 50,5 graden met standaar-‐ddevia=e 0,2 graden, en 0,609 m NAP met standaarddevia=e 1,0 millimeter.
Discussie
Anders dan bij automa=sche me=ngen moeten veldmedewerkers natuurlijk nog steeds naar de stuw toe om de me=ng uit te voeren, maar omdat er tevens een handma=ge verstelling nodig is, zijn ze toch al ter plaatse. Bijkomend voordeel van de me=ng met beeldherkenning en een waterpas is dat de me=ng niet gevoelig is voor hysterese, een effect waarbij de stuw bij verandering van kantelrich=ng even niet beweegt vanwege speling in de aandrijving. Bij geautoma=seerde stuwen kan dit nog wel eens leiden tot enkele cen=meters onnauwkeurigheid in de me=ng gedaan op de aandrijfas.
H2O-Online / 16 september 2014 3
A"eelding 2.
Kantelstuw Haarsteeg118HD met waterpas (MobileTracker-‐FL)
Als er een peilschaal naast de stuw is gemonteerd en de stuw vrij afstromend is, kan uit de foto ook direct het debiet worden gemeten. Dat is dan wel een momentopname aangezien de waterstand verloopt in de =jd.
Conclusies
Met de MobileTracker-‐FL kan er een hysterese-‐vrije me=ng worden gedaan van een kantelstuw. Deze manier van meten is momenteel in gebruik bij waterschap Aa en Maas en wordt bij hoogheemraadschap De S=chtse Rijnlanden getest. De nauwkeurigheid van de me=ng uitgedrukt in de standaarddevia=e is (voor stuwen met een straal van 1 meter en minder) kleiner dan bij handma=g meten. Bovendien kunnen er geen menselijke fouten worden gemaakt in het proces van noteren en invoeren in het waterinforma=esysteem.
Literatuur
